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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von 3D-Formteilen mit mindesten einer Prozesseinheit, auch geeignet für eine Großserienproduktion von 3D-Formteilen wie Gießereikernen und -formen und anderen Artikeln, die in großen Stückzahlen benötigt werden.
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In der europäischen Patentschrift
EP 0 431 924 B1 wird ein Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Objekte aus Computerdaten beschrieben. Dabei wird ein Partikelmaterial in einer dünnen Schicht mittels Beschichter (Recoater) auf eine Plattform aufgetragen und dieses selektiv mittels eines Druckkopfes mit einem Bindermaterial bedruckt. Der mit dem Binder bedruckte Partikelbereich verbindet und verfestigt sich unter dem Einfluss des Binders und gegebenenfalls eines zusätzlichen Härters. Anschließend wird die Bauplattform um eine Schichtdicke abgesenkt oder die Beschichter-/Druckkopfeinheit angehoben und eine neue Schicht Partikelmaterial aufgetragen, die ebenfalls, wie oben beschrieben, selektiv bedruckt wird. Diese Schritte werden wiederholt, bis die gewünschte Höhe des Objektes erreicht ist. Aus den bedruckten und verfestigten Bereichen entsteht so ein dreidimensionales Objekt (Formteil).
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Dieses aus verfestigtem Partikelmaterial hergestellte Objekt ist nach seiner Fertigstellung in losem Partikelmaterial eingebettet und wird anschließend davon befreit. Dies erfolgt beispielsweise mittels eines Saugers. Übrig bleiben danach die gewünschten Objekte, die dann vom Restpulver, z.B. durch Abbürsten, weiter gesäubert werden.
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In ähnlicher Weise arbeiten auch andere Pulver-gestützte Rapid-Prototyping-Prozesse, wie z.B. das selektive Lasersintern oder das Elektron-Beam-Sintern bei denen jeweils ebenso ein loses Partikelmaterial schichtweise ausgebracht und mit Hilfe einer gesteuerten physikalischen Strahlungsquelle selektiv verfestigt wird.
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Im Folgenden werden alle diese Verfahren unter dem Begriff dreidimensionale Druckverfahren oder 3D-Druckverfahren zusammengefasst.
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Diese Verfahren nutzen zum Teil unterschiedliche Möglichkeiten des Schichtauftrags. Bei einigen Verfahren wird das für die gesamte Schicht benötigte Partikelmaterial einer dünnen Klinge vorgelegt. Diese wird anschließend über den Baubereich bewegt und streicht das vorgelegte Material aus und glättet es dabei. Eine weitere Art des Schichtauftrags ist das kontinuierliche Vorlegen eines geringen Volumens von Partikelmaterial während der Verfahrbewegung der Klinge. Dazu ist die Klinge üblicherweise an der Unterseite eines beweglichen Silos befestigt. Direkt über oder neben der Klinge ist ein einstellbarer Spalt vorgesehen, durch welchen das Partikelmaterial aus dem Silo ausfließen kann. Die Anregung des Ausflusses geschieht dabei durch das Einbringen von Schwingungen in das Silo-Klingen-System.
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Anschließen oder während des Schichtauftrages folgt die selektive Verfestigung mittels Flüssigkeitsauftrags und oder Strahlungseinwirkung. Vielfach ist es für die Qualität des Druckes notwendig, dass der Abstand der sich bewegenden Druckvorrichtung zur aktuellen Schichtebene möglichst konstant ist.
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Die Bauteile liegen üblicherweise nach dem Drucken in einem Baubehälter vor. Dieser Baubehälter stellt meist ein quaderförmiges Volumen dar. Dieses Volumen wird mit den verschiedensten Geometrien beladen, um die Maschine gut auszulasten.
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Drucker des Stands der Technik weisen zum Teil Baubehälter auf, die aus der Anlage entnehmbar sind und auch als Jobbox oder Baubehälter bezeichnet werden. Diese dienen als Begrenzung für das Pulver und stabilisieren so den Bauprozess. Durch das Wechseln des Baubehälters können Prozessschritte parallelisiert werden und die Anlage kann somit gut ausgelastet werden. Ebenso gibt es Anlagen, bei der auf eine Plattform gedruckt wird, die wie der Baubehälter aus der Anlage entnommen werden kann. Auch sind Verfahren bekannt, bei denen auf ein durchgehendes Förderband in einem bestimmten Winkel gedruckt wird. Die genannten Maschinenmerkmale konnten die Bauprozesse wirtschaftlicher machen und die Standzeiten reduzieren helfen. Allerdings weisen bekannte 3D-Drucker immer noch den Nachteil auf, dass erhebliche Standzeiten der Maschinen einem suboptimalen Auslastungsgrad bedeuten.
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Das 3D-Drucken auf Basis pulverförmiger Werkstoffe und Eintrag flüssiger Binder ist unter den Schichtbautechniken das schnellste Verfahren. Mit diesem Verfahren lassen sich verschiedene Partikelmaterialien, dazu zählen - nicht erschöpfend - natürliche biologische Rohstoffe, polymere Kunststoffe, Metalle, Keramiken und Sande, verarbeiten.
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Die verschiedenen Anlagenteile weisen dabei unterschiedlichen Verschleiß auf. Je nach Art des pulverförmigen Materials unterliegen z.B. alle mit dem Pulver in Kontakt stehenden Fördereinrichtungen, Klingen, Dichtungen und Leitungen einem spezifischen Abrieb. Dieser kann dazu führen, dass prozessrelevante Einrichtungen wie z.B. eine Beschichterklinge, deren geometrische Form für das Schichtauftragsergebnis von hoher Bedeutung ist, in regelmäßigem Abstand getauscht werden muss, um einem nicht tolerierbaren Qualitätsabfall oder sogar Ausfall des Anlagenteils zuvorzukommen. Gleiches gilt für den Druckkopf, dessen Düsen ebenfalls einem Verschleiß unterliegen, der einerseits zum Leistungsabfall der jeweiligen Düse bis andererseits hin zum Totalausfall führen kann. Die Druckköpfe weisen in der Regel eine Vielzahl an Düsen auf. Die Düsen befinden sich in der Regel nebeneinander in einer so genannten Düsenplatte. Für den 3D-Druck ist es zumeist tolerierbar, wenn einzelne Düsen eines Druckkopfes ausgefallen sind. Betrifft der Ausfall aber eine größere Zahl Düsen bzw. ist eine Mehrzahl an Düsen betroffen, die direkt nebeneinander liegen, ist es notwendig, den Druckkopf zu tauschen.
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Es ist hierbei wichtig, dass die Düsen beim Drucken des Binders den jeweils gleichen Abstand zum Baufeld aufweisen. Ist dies nicht der Fall, kann es zu ungewünschten Abweichungen des Druckbildes vom errechneten Schichtbild kommen. Damit der Abstand gleichbleibt, muss der Druckkopf bei der Überstreichung des Baufeldes während des Bedruckens parallel zur Baufeldebene bewegt werden und die Düsenplatte parallel zur Baufeldebene stehen.
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Gleiches gilt für eventuell eingebaute Strahlungsquellen zur Härtung oder Aufheizung des Pulvers. Auch diese müssen um einen gleichmäßigen Energieeintrag zu gewährleisten, parallel zur Baufeldebene angeordnet sein und sich parallel zur Baufeldebene bewegen.
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Die Baufeldebene wird hingegen von der mit dem Pulver in Berührung stehenden Beschichterklinge und deren Verfahrachse bestimmt.
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Wird nun eine oder mehrere der Komponenten Beschichterklinge, Druckkopf oder Strahlungsquelle getauscht, müssen die Ersatzteile und deren Aufnahmen entweder so genau gefertigt sein, dass die geforderte Parallelität wieder gegeben ist, oder es müssen Einrichtungen an einem der beiden Elemente vorhanden sein, die eine Justage zueinander ermöglichen.
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Üblicherweise reicht die Fertigungsgenauigkeit der Teile nicht aus, um den genannten Genauigkeits-Anforderungen gerecht zu werden. Aus diesem Grund erfordert der Tausch einer der Komponenten das Abschalten der Anlage für die Dauer des Wechsels und der Neujustage. Dies kann je nach Anlagentyp mehrere Stunden Anlagenstillstand erfordern. Zudem muss die Arbeit von einem versierten Techniker vor Ort an der Anlage durchgeführt werden.
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In der europäischen Patentanmeldung
EP 2 214 889 A1 wird eine Vorrichtung für einen 3D-Drucker beschrieben, die über eine Montageplattform verfügt, auf die alle Verfahreinrichtungen einschließlich der Z-Achse montiert werden. Der Vorteil einer solchen Vorgehensweise ist die Erzielung einer hohen Prozessgenauigkeit durch Fertigungsgenauigkeit verbunden mit weniger Justageaufwand. Zudem wird die geforderte Genauigkeit aus schwieriger zu bearbeitenden Vorrichtungsteilen, wie z.B. dem Gestell herausgenommen. In Bezug auf eine vereinfachte Wartung und einer erhöhten Verfügbarkeit der Vorrichtung bringt dieser Ansatz keine Vorteile, da sich ein Austausch der Montageplattform mit allen Anschlüssen und Aggregaten als extrem aufwändig darstellt. Die vorliegend beschriebene Erfindung nach der hier vorliegenden Offenbarung ist nicht nur neu, sondern auch erfinderisch gegenüber diesem Dokument des Sandes der Technik.
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Die genannten Standzeiten der 3D-Druckanlagen implizieren erhebliche wirtschaftliche Nachteile und insbesondere bei 3D-Druckanlagen oder Anlagenstraßen, die drauf ausgelegt sind, einen hohen Fertigungsdurchsatz zu erzielen, sind die oben genannten Standzeiten problematisch oder sogar unvereinbar mit den erforderlichen Produktionszielen.
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Auch können vielfach 3D-Druckmaschinen nicht in Serienproduktionen eingebunden werden, da sie zu lange Standzeiten für Wartungsarbeiten benötigen.
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Es ist daher eine der Anmeldung zugrunde liegende Aufgabe eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit der ein Austausch von Funktionsteilen einer 3D-Druckmaschine, wie z.B. Beschichter, Druckkopf oder Strahlungsquelle, am 3D-Drucker in kurzer Zeit möglich ist.
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Es ist eine weitere der Anmeldung zugrunde liegende Aufgabe eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit deren Hilfe eine Justage der Funktionsteile in der 3D-Druckmaschine vermieden werden kann.
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Es ist eine weitere der Anmeldung zugrunde liegende Aufgabe eine 3D-Druckmaschine zur Verfügung zu stellen, die in Anlagenstraßen integriert werden kann und die sich durch verminderte Standzeiten für Wartungsarbeiten auszeichnet oder im allgemeinen nur geringe Standzeiten erfordert.
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Kurze Zusammenfassung der Offenbarung
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In einem Aspekt betrifft die Offenbarung eine wechselbare Funktionseinheit geeignet für ein 3D-Druckverfahren, umfassend oder bestehend aus mindestens zwei funktionellen Einheiten, umfassend mindestens ein Materialauftragsmittel zum Aufbringen eines Partikelmaterials und/oder Fluides und mindestens einem Mittel zum selektiven Verfestigen des aufgebrachten Materials, und die optional weitere Schichtbehandlungsmittel aufweist, wobei die funktionellen Einheiten jeweils einfach, zweifach, dreifach oder mehrfach vorhanden sind und wobei die funktionellen Einheiten mechanisch direkt miteinander oder mittels eines Verbindungsmittels miteinander verbunden sind.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die Offenbarung ein Verfahren zum Wechseln einer Funktionseinheit in einer 3D-Druckmaschine durch das Ein- und Ausfahren einer wie oben beschriebenen wechselbaren Funktionseinheit.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die Offenbarung eine 3D-Druckmaschine geeignet für wie oben beschriebene wechselbare Funktionseinheiten.
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Figurenliste
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- 1a und 1b: Darstellung von unterschiedlichen Typen beispielhafter wechselbarer Funktionseinheiten gemäß der Offenbarung.
- 2: Schematische Darstellung der Befestigungs- und Versorgungsmöglichkeiten einer wechselbaren Funktionseinheit gemäß der Offenbarung.
- 3: Schematische Darstellung einer betriebsbereiten wechselbaren Funktionseinheit in ihrer Zielposition gemäß der Offenbarung.
- 4: Schematische Darstellung einer Einfuhröffnung mit Verschlussmittel gemäß der Offenbarung.
- 5 und 6: Schematische Darstellung des Schichtbauprozesses mittels verschiedener wechselbarer Funktionseinheiten gemäß der Offenbarung.
- 7-9 zeigen die bereits oben beschriebenen Ausprägungen der Anordnung der wechselbaren Funktionseinheit auf einer Achsbrücke (gantry) mittels 4 kombinierter Aufnahme- und Sicherungsmitteln.
- 10 bis 12 zeigen eine weitere Ausprägung der Menge und Anordnung der Aufnahme- und Sicherungsmittel.
- 13 und 14 zeigen eine Ausprägung der Erfindung, bei der die Aufnahmemittel und Sicherungsmittel der wechselbaren Funktionseinheit getrennt voneinander ausgeführt sind.
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Ausführliche Beschreibung der Offenbarung
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Im Folgenden werden einige Begriffe näher definiert. Andernfalls sind für die verwendeten Begriffe die dem Fachmann bekannten Bedeutungen zu verstehen.
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Im Sinne der Offenbarung sind „Schichtbauverfahren“ bzw. „3D-Druckverfahren“ alle aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, die den Aufbau von Bauteilen in dreidimensionalen Formen ermöglichen und mit den hier im Weiteren beschriebenen Verfahrenskomponenten und Vorrichtungen kompatibel sind.
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Unter „Binder-Jetting“ im Sinne der Offenbarung ist zu verstehen, dass schichtweise Pulver auf eine Bauplattform aufgebracht wird, jeweils die Querschnitte des Bauteils auf dieser Pulverschicht mit einer oder mehreren Flüssigkeiten bedruckt werden, die Lage der Bauplattform um eine Schichtstärke zur letzten Position geändert wird und diese Schritte solange wiederholt werden, bis das Bauteil fertig ist. Unter Binder-Jetting sind hier auch Schichtbauverfahren zu verstehen, die eine weitere Verfahrens-Komponente wie z.B. eine schichtweise Belichtung z.B. mit IR- oder UV-Strahlung benötigen und Verfahren, die auch als High Speed Sintering bezeichnet werden.
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„Formkörper“ oder „Bauteil“ oder „3D-Formteil““ oder „3D-Bauteil“ im Sinne der Offenbarung sind alle mittels 3D-Druckverfahren hergestellte dreidimensionale Objekte, die eine Formfestigkeit aufweisen.
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„3D-Drucker“ oder „Drucker“ im Sinne der Offenbarung bezeichnet das Gerät in dem ein 3D-Druckverfahren stattfinden kann. Ein 3D-Drucker im Sinne der Offenbarung weist ein Auftragsmittel für Baumaterial, z.B. ein Fluid wie ein Partikelmaterial, und eine Verfestigungseinheit, z.B. einen Druckkopf oder ein Energieeintragsmittel wie einen Laser oder eine Wärmelampe, auf. Weitere dem Fachmann bekannte Maschinenkomponenten und im 3D-Druck bekannte Komponenten werden je nach den speziellen Anforderungen im Einzelfall mit den oben erwähnten Maschinenkomponenten kombiniert.
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„Baufeld“ ist die Ebene oder in erweitertem Sinn der geometrische Ort, auf dem oder in dem eine Partikelmaterialschüttung während des Bauprozesses durch wiederholtes Beschichten mit Partikelmaterial wächst. Häufig wird das Baufeld durch einen Boden, die „Bauplattform“, durch Wände und eine offene Deckfläche, die Bauebene, begrenzt.
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„Prozesseinheit“ oder „Funktionseinheit“ bezeichnet im Sinne der Offenbarung ein Mittel oder ein Bauteil mit dessen Einsatz das Ergebnis der Vorgänge Beschichten und selektives Verfestigen verwirklichen werden kann; dazu können gehören Beschichter (Recoater), Druckkopf, Düsen, Lasereinheit, Wärmequelle, UV-Lichtquelle oder/und weitere Schichtbehandlungsmittel.
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Der Prozess „Drucken“ oder „3D-Drucken“ im Sinne der Offenbarung bezeichnet die Zusammenfassung der Vorgänge Materialauftrag, selektives Verfestigen oder auch Bedrucken und Arbeitshöhe verstellen und findet in einem offenen oder geschlossenen Prozessraum statt.
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Unter einer „Aufnahmeebene“ im Sinne der Offenbarung ist die Ebene zu verstehen, auf die Baumaterial aufgetragen wird. Offenbarungsgemäß ist die Aufnahmeebene immer in einer Raumrichtung durch eine lineare Bewegung frei zugänglich.
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„Verfahrachse“ im Sinne der Offenbarung ist eine Achse, die eine Prozesseinheit trägt oder die entlang dieser erstellt werden können, über den Baufeldwerkzeugen angeordnet ist und einen gegenüber den anderen Achsen im System weiten Verfahrweg aufweist. „Verfahrachse“ kann aber auch die Richtung angeben, in der z.B. ein Baufeldwerkzeug getaktet und in Koordination mit anderen Vorrichtungsteilen bewegt werden kann. Auch ein Druckkopf kann auf einer „Verfahrachse“ bewegt werden.
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„Baufeldwerkzeug“ oder „Funktionale Einheit“ im Sinne der Offenbarung sind alle Mittel oder Vorrichtungsteile, die für den Fluidauftrag, z.B. Partikelmaterial, und die selektive Verfestigung bei der Herstellung von Formteilen eingesetzt werden. So sind alle Materialauftragsmittel und Schichtbehandlungsmittel auch Baufeldwerkzeuge oder funktionale Einheiten.
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„Ausstreichen“ im Sinne der Offenbarung bedeutet jegliche Art und Weise, mit der das Partikelmaterial verteilt wird. Beispielsweise kann an der Startposition einer Beschichtungsfahrt eine größere Pulvermenge vorgelegt werden und durch eine Klinge oder eine rotierende Walze in das Schichtvolumen verteilt oder ausgestrichen werden.
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Als „Baumaterial“ oder „Partikelmaterial“ oder „Pulver“ im Sinne der Offenbarung können alle für den 3D-Druck bekannten fließfähigen Materialien verwendet werden, insbesondere in Pulverform, als Schlicker oder als Flüssigkeit. Dies können beispielsweise Sande, Keramikpulver, Glaspulver, und andere Pulver aus anorganischen oder organischen Materialien wie Metallpulver, Kunststoffe, Holzpartikel, Faserwerkstoffe, Cellulosen oder/und Laktosepulver sowie andere Arten von organischen, pulverförmigen Materialien sein. Das Partikelmaterial ist vorzugsweise ein trocken, frei fließendes Pulver, aber auch ein kohäsives schnittfestes Pulver kann verwendet werden. Diese Kohäsivität kann sich auch durch Beimengung eines Bindermaterials oder eines Hilfsmaterials wie z.B. einer Flüssigkeit ergeben. Die Beimengung einer Flüssigkeit kann dazu führen, dass das Partikelmaterial in Form eines Schlickers frei fließfähig ist. Als Baumaterialien im Sinne der Offenbarung kommen auch Kunstharze wie z.B. Epoxide oder Acrylate in Betracht. Generell können Partikelmaterial im Sinne der Offenbarung auch als Fluide bezeichnet werden.
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Die „Überschussmenge“ oder „Overfeed“ ist dabei die Menge an Partikelmaterial, die bei der Beschichtungsfahrt am Ende des Baufeldes vor dem Beschichter hergeschoben wird.
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„Beschichter“ oder „Recoater“ oder „Materialauftragsmittel“ im Sinne der Offenbarung ist die Einheit, mittels derer ein Fluid auf das Baufeld aufgebracht wird. Dieser kann aus einem Fluidvorratsbehälter und einer Fluidauftragseinheit bestehen, wobei gemäß der vorliegenden Erfindung die Fluidauftragseinheit einen Fluidauslass und eine „Rakeleinrichtung“ umfasst. Diese Rakeleinrichtung könnte eine Beschichterklinge sein. Es könnte aber auch jede andere erdenkliche geeignete Rakeleinrichtung verwendet werden. Denkbar sind beispielsweise auch rotierende Walzen oder eine Düse. Die Materialzufuhr kann über Vorratsbehälter frei fließend oder Extruderschnecken, Druckbeaufschlagung oder andere Materialfördereinrichtungen erfolgen,,
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Der „Druckkopf“ oder Mittel zum selektiven Verfestigen im Sinne der Offenbarung setzt sich üblicherweise aus verschiedenen Komponenten zusammen. Unter anderem können dies Druckmodule sein. Die Druckmodule verfügen über eine Vielzahl an Düsen, aus denen der „Binder“ in Tröpfchenform auf das Baufeld gesteuert ausgestoßen wird. Die Druckmodule sind relativ zum Druckkopf ausgerichtet. Der Druckkopf ist relativ zur Maschine ausgerichtet. Damit kann die Lage einer Düse dem Maschinenkoordinatensystem zugeordnet werden. Die Ebene in der sich die Düsen befinden wird üblicherweise als Düsenplatte bezeichnet. Ein weiteres Mittel zum selektiven Verfestigen kann auch ein oder mehrere Laser oder andere Strahlungsquellen oder eine Wärmelampe darstellen. Dabei kommen auch Arrays solcher Strahlungsquellen, wie z.B. Laserdiodenarrays in Betracht. Es ist im Sinne der Offenbarung zulässig, dass die Einbringung der Selektivität von der Verfestigungsreaktion getrennt erfolgt. So kann über einen Druckkopf oder eine oder mehrere Laser eine selektive Behandlung der Schicht erfolgen und durch andere Schichtbehandlungsmittel, die Verfestigung gestartet werden. Als Beispiel hierfür wäre das Bedrucken der Schicht mit UV reaktiven Harzen zu nennen, die anschließend über eine UV-Lichtquelle verfestigt werden. In einer anderen Ausführungsform wird das Partikelmaterial mit einem IR-Absorber bedruckt und anschließend mit einer Infrarotquelle verfestigt.
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„Schichtbehandlungsmittel“ im Sinne der Offenbarung sind alle Mittel, die geeignet sind, um einen bestimmten Effekt in der Schicht zu erzielen. Dies können die vorgenannten Einheiten wie Druckkopf oder Laser aber auch Wärmequellen in Form von IR-Strahlern oder andere Strahlungsquellen wie z.B. UV-Strahler sein. Denkbar sind auch Mittel zur De- oder Ionisierung der Schicht. Allen Schichtbehandlungsmitteln gemein ist, dass ihre Wirkungszone auf die Schicht linienförmig verteilt ist und dass sie wie die anderen Schichteinheiten wie Druckkopf oder Beschichter über das Baufeld geführt werden müssen, um die gesamte Schicht zu erreichen.
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„Aktorik“ im Sinne der Offenbarung sind alle technischen Mittel, die geeignet sind innerhalb einer wechselbaren Funktionseinheit die Bewegung von Schichtbehandlungsmitteln relativ zueinander auszulösen, oder innerhalb der Schichtbehandlungsmittel Bewegungen von Einzelteilen oder Baugruppen durchzuführen.
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„Einfuhröffnung“ im Sinne der Offenbarung ist der Bereich an einer 3D-Druckmaschine, an der die wechselbare Funktionseinheit in die 3D-Druckmaschine zum Wechseln ein- und ausgeschoben wird; diese Einfuhröffnung kann offen sein oder mit geeigneten Mitteln verschließbar sein wie einem Verschluss oder einer verschließbaren Klappe. Das Öffnen und Verschließen kann mit einer gesonderten Steuerung erfolgen oder durch das Ein- und Ausfahren der wechselbaren Funktionseinheit wird der Verschluss automatisch geöffnet und wieder verschlossen. Es kann auch eine Art Barriere an der Einfuhröffnung vorhanden sein, wie eine geschlitzteFolie oder Borsten, durch die die wechselbare Funktionseinheit hindurchgeschoben werden kann.
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Ein „geeignetes Aufnahmemittel“ im Sinne der Offenbarung ist ein an der Zielposition angeordnetes Mittel, das die Positionierung und die richtige Funktion der wechselbaren Funktionseinheit an der Zielposition unterstützt. Somit wird durch ein geeignetes Aufnahmemittel die Lagetoleranz einer wechselbaren Funktionseinheit innerhalb der 3D-Druckmaschine definiert, und damit auch die Lagetoleranz der Schichtbehandlungsmittel zum Baufeld.
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„Hebemittel“ im Sinne der Offenbarung ist ein geeignetes Mittel mit dessen Hilfe die ausgefahrene wechselbare Funktionseinheit aufgenommen wird und von der 3D-Druckmaschien weggefahren wird angehoben bzw. die wechselbare Funktionseinheit angehoben und an die 3D-Druckmaschien hingefahren wird und von der die wechselbare Funktionseinheit in die 3D-Druckmaschine eingebracht wird. Im Sinne der Offenbarung kann dies ein Hubwagen, ein Kran, ein spezielles Werkzeug aber auch ein Industrieroboter sein.
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Das „Einfahren“ bzw. „Ausfahren“ der wechselbaren Funktionseinheit im Sinne der Offenbarung ist der Vorgang, bei dem eine in der 3D-Druckmaschine befindliche wechselbaren Funktionseinheit von ihrer Position gelöst wird und aus der 3D-Druckmaschine herausgefahren wird und eine neu vorjustierte wechselbare Funktionseinheit in die 3D-Druckmaschine hineingefahren wird und an ihrer Zielposition vorzugsweise festgestellt wird. Das Ein- und Ausfahren der wechselbaren Funktionseinheit kann dabei in eine Richtung erfolgen, z.B. von einer Seite oder von oben in Bezug auf die Bauebene, direkt linear an die Zielposition. Das Ein- und Ausfahren kann aber auch in Form einer Bogenbewegung oder als ein Schwenken in der 3D-Druckmaschien in 45° bis 90° in bzw. aus der 3D-Druckmaschiene erfolgen. Das Ein- und Ausfahren der Funktionseinheit kann sowohl manuell als auch automatisiert erfolgen. Damit die Funktionseinheit während des Ein- oder Ausfahrens bei einem manuellen Wechsel nicht beschädigt wird, kann es zielführend sein, die Bewegung über geeignete Mittel zu führen. Dies kann z.B. mit Linearführungen erfolgen, die entweder fest in der Maschine oder am Hebemittel, oder an weiteren Hilfseinrichtungen verbaut sind. Bei einem automatisierten Wechsel kann es zielführend sein, dass an der Funktionseinheit eine geeignete Aufnahme für einen Industrieroboter vorhanden ist. Der Roboter greift dann durch die Öffnung in der Anlage hindurch die Funktionseinheit und führt diese in einer geeigneten Bewegung aus dem 3D-Drucker hinaus zu einer eventuell bereitgestellten Ablage. Auf einer weiteren definierten Ablage befindet sich dann eine weitere Funktionseinheit, die vom Roboter nun wiederum gegriffen und in die Position in dem 3D-Drucker verbracht werden kann.
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Das Ein- und Ausfahren der Funktionseinheit kann auch derart erfolgen, dass die Funktionseinheit beim Ausfahren direkt in eine Transportvorrichtung eingefahren wird. Dadurch wird die Zeit, während der die Funktionseinheit sich in einer undefinierten Position befindet und schädlichen Einflüssen ausgesetzt ist, minimiert. Die Führung der Hebemittel und der Funktionseinheit kann auch durch die Transportvorrichtung erfolgen. Das Einfahren der Funktionseinheit in die 3D-Druckmaschine erfolgt in umgekehrter Reihenfolge direkt aus der auf die 3D-Druckmaschine lagerichtig aufgesetzte Transportvorrichtung.
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„Transportvorrichtung“ im Sinne der Offenbarung ist ein geeignetes Mittel, welches die wechselbare Funktionseinheit und/oder die Schichtbehandlungsmittel während des Transports von und zur 3D-Druckmaschine mittels den in einer Industrieumgebung üblicherweise zur Verfügung stehenden Hebemitteln vor schädlichen äußeren Einflüssen wie z.B. mechanischer Beschädigung oder Verschmutzung schützt. Die Transportvorrichtung kann vorzugsweise so ausgeführt sein, dass die Lagerung der Prozesseinheit innerhalb der Transportvorrichtung über längere Zeit ermöglicht wird, ohne dass eine lagerzeitbedingte Degradierung oder Schädigung der wechselbaren Funktionseinheit und/oder der Schichtbehandlungsmittel auftritt. Wiederum vorzugsweise kann die Transportvorrichtung so ausgeführt sein, dass mehrere Transportvorrichtungen zur Lagerung von mehreren wechselbaren Funktionseinheiten stapelbar sind.
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„Justagevorrichtungen“ im Sinne der Offenbarung ist ein Mittel mit dem die funktionellen Einheiten der wechselbaren Funktionseinheit in Bezug auf Ihre Lage und Ausrichtung zueinander so voreingestellt werden können, dass nach dem Einschub der wechselbaren Funktionseinheit alle Funktionen des 3D-Druckvorganges in gewünschter und korrekter Weise ausführbar sind und keine weitere Nachjustierung in der 3D-Druckmaschine erforderlich ist. So können z.B. bei einem Schichtaufbauverfahren mit selektivem Verfestigen mit Druckkopf und Bindereintrag die Düsen des Druckkopfes und die Beschichtereinheit (Recoater) in ihrem Auftragswinkel voreingestellt werden sowie gegebenenfalls die Recoaterklinge. Beim Lasersintern kann z.B. die Optik, das Diodenarray und der Ionenlaser zum Beschichter mit Hilfe einer Justagevorrichtung ausgerichtet werden. Ebenso können in dieser Einrichtung auch andere Schichtbehandlungsmittel zu den vorgenannten Einrichtungen justiert werden. Die Justagevorrichtungen können fest an jeder Funktionseinheit montiert sein oder aber bei Bedarf getrennt herangezogen werden. Als Justagevorrichtung eignet sich jedes Mittel zur Einstellung einer genauen Position wie z.B. Feingewinde. Eine Justagevorrichtung verfügt vorzugsweise auch über geeignete Messmittel um die eingestellte Lage des jeweiligen Schichtbehandlungsmittels zu überprüfen. Dies können ohne Einschränkung z.B. mechanische oder optische Taster sein. Auch die Messmittel können an jeder Funktionseinheit fest verbaut oder bei Bedarf getrennt herangezogen werden.
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„Kinematik“ im Sinne der Offenbarung sind alle technischen Mittel, die geeignet sind innerhalb einer wechselbaren Funktionseinheit die relative Bewegung von Schichtbehandlungsmitteln zueinander oder innerhalb der Schichtbehandlungsmittel die relative Bewegung von Einzelteilen oder Baugruppen zueinander zu definieren, zu führen, zu tolerieren und/oder zu begrenzen.
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„Sicherungsmittel“ im Sinne der Offenbarung ist jedes Mittel, das zur temporären Sicherung der Lage der wechselbaren Funktionseinheit in der 3D-Druckmaschien geeignet ist, wie Clip oder eine Klemmbacke oder mehrere Schnellverschlüsse, Magnete, Schnappverschlüsse, Nullpunktspanner oder elektromagnetische Verschlüsse. Bei geeigneter Wahl der Beschleunigungskräfte bei der Verfahrbewegung während der Schichterzeugung im 3D-Drucker kann auch die Gewichtskraft ein geeignetes Sicherungsmittel sein. Zudem sind die Sicherungsmittel so ausgewählt und gestaltet, dass die Lage und Position der wechselbaren Funktionseinheit in Bezug auf den 3D-Drucker eindeutig definiert und wiederholgenau gefunden wird. Damit dies auch bei unterschiedlichen Temperaturen der Fall ist, sind entsprechende Maßnahmen zum Längenausgleich vorzusehen.
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„Verbindungsmittel“ im Sinne der Offenbarung können Schienen, Rahmen oder andere Teile sein, mit denen die funktionellen Einheiten der wechselbaren Funktionseinheit miteinander verbunden und in ihren drei Dimensionen angeordnet werden und die optional auch dazu dienen können das Ein- und Ausfahren der wechselbaren Funktionseinheit in bzw. aus der 3D-Druckmaschiene zu unterstützen. Die funktionellen Einheiten können in einer besonderen Ausführungsform auch direkt miteinander verbunden sein und zusätzlich können Mittel an dieser wechselbaren Funktionseinheit angebracht sein, die für das Ein- und Ausfahren bestimmt sind. Vorzugsweise sind die Verbindungsmittel so gestaltet, dass die einzelnen funktionellen Einheiten leicht zugänglich sind, um sie in Ihrer Lage zu justieren oder auszutauschen.
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„Verschlussmittel“ im Sinne der Offenbarung ist jedes Mittel, das zum Verschließen der Einfuhröffnung für die wechselbare Funktionseinheit dient, z.B. eine Klappe, Türe, ein Schieber, eine Bürstenreihe, etc.
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„Versorgung“ im Sinne der Offenbarung ist die Zufuhr von Energie, Baumaterial oder anderen Medien wie z.B. Druckluft oder Kühlwasser zu den einzelnen funktionalen Einheiten.Die Versorgung ist vorzugsweise durch geeignete Maßnahmen schnell kuppelbar ausgeführt. Die Kupplung erfolgt vorzugsweise an einer gemeinsamen Kuppelposition in Form einer Kupplungsleiste oder eines Kupplungsblockes. Die Versorgung lässt sich vorzugsweise ohne zusätzliche manuelle Interaktion z.B. nur durch das Ein- und Ausfahren kuppeln.
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„Voreingestellt“ im Sinne der Offenbarung bezeichnet, dass die in der wechselbaren Funktionseinheit enthaltenen funktionellen Einheiten in Lage und Position so aufeinander abgestimmt sind, dass ein einfaches Einfahren an die Zielposition, Nutzung der Sicherungsmittel und Herstellung der Versorgungausreicht, damit die 3D-Druckmaschiene sofort nach dem Einfahren wieder in Betrieb genommen werden kann, ohne dass im Wesentlichen eine Justierung oder Nachjustierung oder irgendwelche Einstellung in Bezug auf die wechselbare Funktionseinheit erforderlich ist.
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„Zielposition“ im Sinne der Offenbarung ist die Stelle in der 3D-Druckmaschine bis zu der die wechselbare Funktionseinheit eingeschoben wird und an der diese vorzugsweise mit den Sicherungsmitteln festgestellt wird.
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„Entnahmeposition“ im Sinne der Offenbarung ist die Stelle in der 3D-Druckmaschine an der die Funktionseinheit stehen muss, um sie aus dem Gerät auszufahren. Die Steuerung des 3D-Druckers verfügt entsprechend über einen Befehl, bei dem die Entnahmeposition von der wechselbaren Funktionseinheit mit hinreichender Genauigkeit angefahren wird.
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Vorteilhafterweise befindet sich diese Position über dem Baufeld. Noch vorteilhafterweise liegt die Entnahmeposition in etwa mittig über dem Baufeld. Weniger geeignet sind die beiden möglichen Endlagen der wechselbaren Funktionseinheit, da sich dort zumeist die Wartungseinheiten für die Baufeldwerkzeuge befinden und diese beim Ein- bzw. Ausfahren beschädigt werden könnten. Beim Wechseln der Funktionseinheit sollten die Baufeldwerkzeuge vorteilhafterweise nicht im Eingriff mit einer aktuellen Schicht stehen. Dies kann z.B. dadurch sichergestellt werden, in dem die Bauplattform vorher um einen entsprechenden Betrag abgesenkt wird. Auch dieser Vorgang kann in der Steuerung hinterlegt werden, so dass das Absenken der Bauplattform und das Anfahren der Entnahmeposition als kombinierte Abfolge zur Vorbereitung des Wechsels der Funktionseinheit erfolgt.
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Eine der Anmeldung zugrunde liegende Aufgabe wird gelöst durch eine Produktionsvorrichtung, z.B. eine 3D-Druckvorrichtung, deren Baufeldwerkzeuge, d.h. bei einer 3D-Druckvorrichtung die für den Druckvorgang nötigen funktionellen Einheiten, so miteinander verbunden und angeordnet sind, dass sie gemeinsam aus der Vorrichtung entnommen werden können und dabei ihre Justage zueinander und zu der Vorrichtung beibehalten bzw. die korrekte Justage der funktionellen Einheiten vor dem Einbau eingestellt werden kann.
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Weiterhin wird eine der Anmeldung zugrunde liegende Aufgabe dadurch gelöst, dass eine zweite Anordnung an Baufeldwerkzeugen in gleicher Weise zueinander justiert in die Vorrichtung eingebracht und mit dieser verbunden werden kann, so dass der Produktionsprozess in gleicher Weise fortgesetzt werden kann.
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Weiterhin wird eine der Anmeldung zugrunde liegende Aufgabe dadurch gelöst, dass für den Wechsel der Baufeldwerkzeuge zudem Hilfsmittel zur Verfügung gestellt werden, die einen schnellen Austausch und eine kurzfristige Wiederinbetriebnahme der Vorrichtung ermöglichen.
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Weiterhin wird eine der Anmeldung zugrunde liegende Aufgabe durch ein Verfahren gelöst, das die durch die Produktionsvorrichtung bzw. die wechselbare Funktionseinheit bereitgestellten Vorrichtungen nutzt.
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Weiterhin wird eine der Anmeldung zugrunde liegende Aufgabe insbesondere gelöst durch eine wechselbare Funktionseinheit geeignet für ein 3D-Druckverfahren, umfassend oder bestehend aus mindestens zwei funktionellen Einheiten, umfassend mindestens ein Materialauftrags- und/oder Glättungsmittel zum Aufbringen und/oder Glätten eines Fluides und mindestens einem Mittel zum selektiven Verfestigen des Fluides und optional umfassend weitere Schichtbehandlungsmittel, wobei die funktionellen Einheiten jeweils einfach, zweifach, dreifach oder mehrfach vorhanden sind und wobei die funktionellen Einheiten mechanisch direkt miteinander oder mittels eines Verbindungsmittels miteinander verbunden sind.
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird es vorteilhafter Weise möglich, die Standzeiten von 3D-Druckmaschinen verursacht durch Wartungsarbeiten oder den nötigen Austausch von verschleißanfälligen Teilen oder funktionellen Komponenten zu reduzieren bzw. zu vermeiden. Somit kann die Maschinenlaufzeit erhöht werden und es wird möglich eine oder mehrere 3D-Druckmaschinen, die mit derartigen wechselbaren Funktionseinheiten ausgestattet sind in einen Verbund von anderen Herstellungsanlagen, z.B. in der Serienfertigung, z.B. im Fahrzeugbau, einzubinden.
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Mit der Erfindung wird es somit erstmals möglich, 3D-Druckmaschinen in im Wesentlichen vollautomatisierte Produktionsabläufe einzubinden.
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Früher mussten bestimmte mit 3D-Druck hergestellte Bauteile vorproduziert werden und diese Teile stellten unter Umständen einen zeitlimitierenden Faktor bei anderen Produktionsprozessen dar. Außerdem waren mit der Lagerung und Anlieferung Organisationsaufwand und Kosten verbunden.
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Es wird mit der Erfindung möglich, 3D- Formteile direkt vor Ort und integriert in andere halb-automatisierte oder vollautomatisierte Herstellungsprozesse herzustellen. Damit wird eine Vereinfachung von komplexen Herstellungsprozessen möglich.
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Ein weiterer Vorteil ist, dass die Maschinenverfügbarkeit an sich erhöht wird und damit eine weitere Erhöhung des tatsächlichen und wirtschaftlichen Auslastungsgrades von mit erfindungsgemäßen wechselbaren Funktionseinheiten ausgestatteten 3D-Druckmaschinen erreicht werden kann.
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Die Erfindung trägt somit vorteilhafter Weise zu einer weiteren Automatisierung von 3D-Druckprozessen an sich sowie 3D-Druckverfahren nutzenden anderen Herstellungsverfahren und Serienproduktionen bei.
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Weiterhin können aufgrund der Kopplung von Druckkopf und Beschichter in einer Funktionseinheit bei einer Ausführungsform nach der vorliegenden Offenbarung die Arbeitsschritte Partikelmaterialauftrag und selektive Verfestigung bei einem Überfahren des Baufeldes durch die wechselbare Funktionseinheit vorgenommen werden. Sofern an beiden Seiten des Druckkopfs ein Recoater vorhanden ist oder jeweils für jede Überfahrrichtung eine Einheit umfassend Recoater und Druckkopf vorhanden ist, können in jeder der beiden Verfahrrichtungen jeweils beide Arbeitsschritte vorgenommen werden und so die Beschichtungsgeschwindigkeit und der Formteilaufbau beschleunigt werden. Es wird so die für die Herstellung der Formteile nötige Zeit im Wesentlichen halbiert gegenüber einer 3D-Druckmaschine, die nur in jeweils eine Richtung beide Arbeitsschritte ausführt.
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Weiterhin wird mit der erfindungsgemäßen wechselbaren Funktionseinheit eine Entkopplung von Justierung der funktionellen Einheiten und deren Einbau in die 3D-Druckmaschine erreicht. Die Erfindung erzielt zudem viele Prozess- und Kostenvorteile, da die Justierungen der auszutauschenden Teile nun außerhalb der 3D-Druckmaschine erfolgen kann.
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Die wechselbare Funktionseinheit nach der Offenbarung ist in weiteren Aspekten dadurch gekennzeichnet, dass das Materialauftrags- und/oder - Glättungsmittel mindestens ein Recoater, ein Extruder oder Rakel ist, das Mittel zum selektiven Verfestigen ein Inkjet Druckkopf, Düsen, eine Strahlungsquelle und/oder eine Energiequelle, das Fluid ein Partikelmaterial oder eine Flüssigkeit oder Mischungen aus beiden ist, dass ein optionales Schichtbehandlungsmittel ausgewählt ist aus Strahlungsquellen und/oder Energiequellen und Auftragsmitteln für Gase oder Flüssigkeiten, dass das Verbindungsmittel eine oder mehrere Verbindungsschienen, ein Rahmen, ein Verbindungsgitter oder eine Verbindungsplatte ist.
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Die hier offenbarte wechselbare Funktionseinheit ist vorgesehen für eine 3D-Druckmaschine und sie weist weitere vorteilhafte Ausgestaltungen auf, wobei die Funktionseinheit in eine Vorrichtung für den 3D-Druck ein- und ausfahrbar ist und wobei die Funktionseinheit oder die Schichtbauvorrichtung mindestens ein geeignetes Aufnahmemittel und/oder Sicherungsmittel aufweist, mit dem die Funktionseinheit in der 3D-Druckvorrichtung positionierbar ist.
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Die hier offenbarte wechselbare Funktionseinheit kann geeignete Aufnahmemittel und/oder Sicherungsmittel aufweisen und diese sind vorzugsweise ein oder mehrere Schnellverschlüsse, Magnete, Schnappverschlüsse, Nullpunktspanner oder elektromagnetische Verschlüsse.
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Ein großer Vorteil der hier offenbarten wechselbaren Funktionseinheit ist, dass diese außerhalb der 3D-Druckmaschine voreingestellt und vorjustiert werden kann. Vorteilhafter Weise können die funktionellen Einheiten in der Lage zueinander und auf die 3D-Druckvorrichtung voreingestellt sein.
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Ein weiterer Vorteil besteht in der verkürzten Standzeit bei Wartung oder Ausfall und Ersatz eines Schichtbehandlungsmittels durch das schnelle Wechseln der Funktionseinheit.
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Bei der hier offenbarten wechselbaren Funktionseinheit kann die Lage Voreinstellung über ein oder mehrere Justagevorrichtungen oder Fertigungstoleranzen erfolgen.
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Die funktionellen Einheiten können als wechselbare Funktionseinheit direkt miteinander oder über Verbindungsmittel verbunden sein. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn ein, mehrere oder alle der Materialauftragsmittel und Schichtbehandlungsmittel auf dem Verbindungsmittel zueinander beweglich ausgeführt sind.
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Dabei kann in einer wechselbaren Funktionseinheit wie hier offenbart die für die Relativbewegung der Materialauftrags- und/oder Schichtbehandlungsmittel benötigte Aktorik und Kinematik in die Funktionseinheit integriert sein und von der 3D-Druckvorrichtung mit der für die Bewegung nötigen Energie versorgt werden.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die Offenbarung eine 3D-Druckvorrichtung umfassend eine wechselbare Funktionseinheit wie oben beschrieben, eine Einfuhröffnung, optional umfassend ein oder mehrere Leitbleche oder/und Schienen, und weitere bekannte Mittel einer 3D-Druckvorrichtung, optional ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Fördermitteln, Materialzu- und/oder Materialabfuhrmitteln.
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Eine derartige 3D-Druckmaschine weist die oben ausgeführten Vorteile auf und löst gleichermaßen die der Anmeldung zugrunde liegenden Aufgaben.
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Weiterhin kann eine hier offenbarte 3D-Druckvorrichtung eine Einfuhröffnung mit einem Verschlussmittel aufweisen, wobei das Verschlussmittel geöffnet und verschlossen werden kann oder das Verschlussmittel durch die Funktionseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 8 beim Ein- und Ausfahren geöffnet oder durchdrungen wird.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die Offenbarung ein Verfahren zum Ein- oder/und Ausfahren, d.h. zum Wechseln bzw. Auswechseln, einer wechselbaren Funktionseinheit wie oben beschrieben in eine oder aus einer 3D-Druckvorrichtung, wobei die Funktionseinheit gegebenenfalls mit einem Hebemittel, optional ein Kran, eine Hebebühne oder ein Hebewagen, an die 3D-Druckvorrichtung herangefahren wird, die Funktionseinheit in die Einfuhröffnung eingefahren wird, an der Zielposition in der 3D-Druckvorrichtung positioniert wird und mittels einem oder mehreren Sicherungsmitteln festgestellt wird.
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Mit einem derartigen Verfahren wird es erstmals möglich, schnell und unkompliziert mehrere funktionelle Einheiten einfach auszuwechseln ohne dass komplizierte Justierarbeiten an der Maschine selbst während dem Auswechseln nötig sind mit den damit verbundenen beschriebenen Nachteilen. Vorteilhafter Weise wird eine wechselbare Funktionseinheit verwendet, die mehrere funktionelle Einheiten umfasst und die vorjustiert sind, sodass aufwendige und zeitintensive Einstellarbeiten an der Maschine selbst entfallen.
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Weitere Aspekte der Offenbarung sind im Folgenden dargestellt.
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Bei bekannten 3D-Druckmaschinen sind Druckköpfe und Beschichterklingen wesentliche Verschleißteile. Hinzukommen je nach Prozess Belichtungseinheiten und/oder Bestrahlungseinheiten.
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Diese Aggregate müssen für ein gutes Druckergebnis in einem bestimmten Rahmen zueinander ausgerichtet sein. Der Beschichter definiert die Lage der Schichtebene im Raum und der Druckkopf sollte in möglichst konstantem Abstand zur Schichtebene geführt werden.
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Tauscht man eine einzelne Komponente aus, muss diese je nach Ausführung anschließend zu den jeweils anderen Komponenten justiert werden. Aufgrund der Größe der Maschinen reicht die Fertigungsgenauigkeit der Teile zueinander in Regel nicht aus, um ohne Justage zum gewünschten Ergebnis zu kommen.
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Eine Justage in der Maschine kann außerdem aufwändig sein, da sie unter begrenzten Platzverhältnissen stattfindet und die Zugänglichkeit nicht gegeben ist. Zudem kann es sein, dass die Anlage zur Einrichtung in einem speziellen sicheren Einrichtbetrieb versetzt werden muss, damit ein Bediener an den Aggregaten hantieren kann. Nicht zuletzt befinden sich evtl. Prozessmedien in der Maschine, vor denen der Einrichter geschützt werden muss.
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Mit der hier offenbarten Lösung wird eine wechselbare Funktionseinheit zur Verfügung gestellt, bei der prozessrelevante Aggregate zusammen montiert aus der Anlage entnommen und durch eine andere vorjustierte Einheit ersetzt werden können, ohne dass eine Einrichtung der Aggregate in der Anlage zueinander erforderlich ist.
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Eine wechselbare Funktionseinheit kann bestehen mindestens aus einem Beschichter und einem oder zwei Druckköpfen, der evtl. über eine Versatzachse zusätzlich quer zur Beschichter Richtung verfahren werden kann.
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Der Beschichter ist ein Aggregat zur Abgabe von fluiden Medien wie Partikelmaterialien, Harzen, Schlicker oder Pasten in definierter Form auf eine Unterlage, so dass eine ebene Schicht dieses Mediums in vorbestimmter Stärke entsteht. Es kann ein Beschichter zum Auftrag von Pulver-/Partikelmaterialien verwendet werden.
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Der Beschichter könnte z.B. als Walze ausgebildet sein, die sich gegenläufig zur Beschichtungsrichtung dreht. Die Walze könnte um ein Partikelmaterialreservoir erweitert sein. Das Reservoir könnte z.B. über eine Zellradschleuse gesteuert Partikelmaterial vor die Walze dosieren.
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Eine weitere Ausführungsform betrifft einen Schwing-Beschichter mit einem schwingend aufgehängtem Pulverreservoir und einem baufeldbreiten Spalt im unteren Bereich an einer Seite des Pulverbehälters, die in Beschichtungsrichtung zeigt. Der Beschichter verfügt zudem über einen Antrieb, der das Reservoir in Schwingungen versetzt und dabei das Pulver aus dem Spalt rieseln lässt.
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Als Druckkopf können in einem Aspekt Geräte nach Art einer Tintenstrahlvorrichtung verwendet werden, es ist aber auch denkbar selektive Belichtungseinheiten wie Laser, Projektoren oder Spiegel zu verwenden, über die selektive Bestrahlungseinheiten auf das Baufeld projiziert werden können. Alternativ können auch andere Geräte zur Informationsabgabe zum Einsatz kommen, wie z.B. Toner oder Farb-Transferwalzen, die z.B. aus Laserdruckern oder Offsetdrucken bekannt sind.
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Daneben kann es sein, dass weitere Einheiten wie z.B. Belichtungseinheiten mitgeführt werden, die ähnlich wie der Beschichter auf die gesamte Breite der Einheit wirken. Diese Belichtungseinheiten können z.B. im UV Bereich aber auch im Wärmestrahlungsbereich Energie an das Baufeld abgeben. Es kann auch sein, dass Trocknungsaggregate mitgeführt werden, die z.B. über die Zu- und Abfuhr von Warmluft arbeiten.
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Neben diesen Komponenten in der wechselbaren Funktionseinheit ist aber auch denkbar, dass die wechselbaren Funktionseinheit aus Kombinationen aus mehreren Beschichtern, einem oder mehreren Druckköpfen und mehreren Bestrahlungseinheiten besteht.
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Beispielsweise kann die wechselbare Funktionseinheit aus einer Kombination aus zwei Beschichtern, die jeweils nur in eine Richtung beschichten und einem oder mehrere Druckköpfe dazwischen zur Erzeugung der Schichtinformation bestehen. Zudem kann sich je eine Strahlungsquelle an den Beschichtern befinden.
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Die wechselbare Funktionseinheit kann über einen Träger auf dem die verschiedenen Aggregate montiert und zueinander justiert werden verfügen. Der Träger kann über Mittel zur einfachen Aufnahme und Fixierung in der Schichtbau-Anlage verfügen.
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Alle Medien zur Versorgung der wechselbaren Funktionseinheit können in der Anlage einfach gekoppelt werden. Die Aufnahmen können so gestaltet sein, dass unterschiedliche wechselbare Funktionseinheiten ohne weiteren Aufwand-gegeneinander austauschbar sind.
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Der Austausch in der Anlage kann so gestaltet sein, dass die wechselbare Funktionseinheit über Hilfseinrichtungen aus der Anlage hinaus und in die Anlage hinein ohne Beschädigungsrisiko für die Schichtbauanlage wie auch die wechselbare Funktionseinheit erfolgen kann. Als Hilfseinrichtungen eignen sich z.B. Vollauszugsmechanismen oder Transportrahmen mit entsprechenden Aufnahmen. Die Hilfseinrichtungen können maschinenseitig fest verbaut sein oder aber nach Bedarf eingebracht werden. In einer weiteren Ausführungsform wird die wechselbare Funktionseinheit über einen Industrieroboter in den 3D-Drucker aus- und eingefahren.
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Die Hilfseinrichtungen oder Transportvorrichtungen sind so gestaltet, dass die Prozesseinheit nachdem sie aus der Schichtbauanlage entfernt wurde mit einfachen Beförderungsmitteln wie Rollwagen, Stapler oder Kran zur weiteren Verwendung bzw. Wartung bewegt werden kann.
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In der Anlage selbst sind Verfahrachsen so montiert, dass sie die wechselbare Funktionseinheit einfach aufnehmen können und diese über das Baufeld bewegen. Vorzugsweise ist dafür nur noch ein Achsenpaar nötig, das sich parallel zur Beschichtungsrichtung jeweils seitlich des Baufeldes befindet.
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In einer Ausführungsform wird die wechselbare Funktionseinheit von einer Umkehrposition zur jeweils anderen verfahren und stellt bei dieser Verfahrbewegung eine voll prozessierte Schicht her.
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Die Maschine kann zudem über Wartungseinheiten verfügen, die Teile der wechselbaren Funktionseinheit betreffen und die ebenfalls von Zeit zu Zeit angefahren werden müssen. Dies kann z.B. eine Druckkopfreinigungsstation und oder eine Recoaterreinigungsstation sein. Derartige Wartungseinheiten könnten in alternativen Ausführungsformen auch an der wechselbaren Funktionseinheit montiert sein und mit dieser gewechselt werden.
Die Anlage verfügt des Weiteren über Aggregate zur Versorgung der wechselbaren Funktionseinheit mit Medien, wie z.B. Pulvermaterialien, Tinten und Energie.
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Die wechselbare Funktionseinheit kann auch über Datenverarbeitungseinheiten, Steuerungsbaugruppen und Sensoren wie z.B. einem Druckkopfcontroller, Signalschnittstellen/Feldbuselementen, elektrischen/pneumatischen Ventilen und unterschiedlichsten Sensoren zur Überwachung der Aggregats- und Prozesszustände verfügen.
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Die wechselbare Funktionseinheit kann z.B. über verschiedene Sensoren zur Überwachung des Schichtbauprozesses verfügen. Ein Sensor könnte z.B. eine Kamera in Zeilenform sein, bei der das Bild der prozessierten Schicht mit dem Verfahren der Prozesseinheit entsteht.
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Die Montage und Einstellung der wechselbaren Funktionseinheit erfolgt außerhalb der Schichtbauanlage. Hierzu werden vorzugsweise Vorrichtungen vorgehalten, mit denen die Montage, Demontage, Inspektion und insbesondere Justage der Aggregate auf dem Träger der wechselbaren Funktionseinheit leicht möglich wird. Insbesondere ist der Träger und sind die Baufeldwerkzeuge so gestaltet, dass sie sich unabhängig von den anderen Baufeldwerkzeugen einbauen bzw. austauschen lassen.
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In einem weiteren Aspekt kann die Materialbevorratung im Recoater für mindestens eine Schicht ausreichend bemessen sein.
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Zur Minimierung von Bauteilfehlern kann eineHorizontalversatzachse für den Druckkopf vorhanden sein, die Düsen quer zur Beschichtungsrichtung nach jeder oder nach mehreren Schichten in bestimmter oder zufälliger Weise verschiebt.
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Die Vorjustagemöglichkeiten können vielfältig gewählt werden je nach den Anforderungen der Verfahren und Materialien.
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Die Vorjustagemöglichkeiten kann beinhalten:
- - Justagemöglichkeit der Recoater zueinander,
- - Justagemöglichkeit der Prozesseinheit zum Maschinengestell der 3D-Druckmaschine,
- - ggf. Zeilenkamera zur Prozessüberwachung,
- - Justagemöglichkeiten innerhalb der Prozesseinheit,
- - der Druckkopf ist einstellbar senkrecht zur Auflagefläche,
- - der Recoater ist einstellbar in der Parallelität und Höhe zum Baufeld,
- - der Recoater ist einstellbar individuell und/oder im Winkel zum Baufeld,
- - einstellbar ist die Sensorik zur Überwachung von Aggregat und Prozess,
- - einstellbar ist die Lampe(n) zum Baufeld.
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Weiterhin können mit der wechselbaren Funktionseinheit Schnellkupplungen für alle Medien und Leitungen, , geeignete Absperrventile, um die Druckmedien zurückhalten zu können und adaptierbare Spannungsregler zur Anpassung der Druckmodulansteuerung kombiniert werden.
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Es kann weiterhin in vorteilhaften Toleranzen gearbeitet werden, z.B. Genauigkeit oder/und Parallelität von 0,01 bis 0,05, vorzugsweise von 0.03mm.
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In einem Aspekt kann eine wechselbare Funktionseinheit mit doppeltwirkendem Recoater in der Mitte und zwei Druckköpfen versehen sein. Der Recoater kann schwingungsentkoppelt in der wechselbaren Funktionseinheit befestigt sein.
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In einem Aspekt könnte der Recoater umgedreht (Recoaterspalt zeigt nach außen) angeordnet sein und dadurch könnte man erreichen, dass das Druck- und Recoatingbild jeder Schicht sichtbar wird und eine Qualitätssicherung vereinfacht wird. Zum Beispiel könnte man dann vo jeder Schicht ein Foto von Oben machen und mittels Bildverarbeitungssoftware auswerten. Der passive Recoater muss dann jeweils mittels geeigneter Aktorik anhebbar sein, damit die gerade gelegte Schicht nicht beschädigt wird.
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In einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann die wechselbare Funktionseinheit auf einer Achsbrücke (gantry) mittels 4 kombinierter Aufnahme- und Sicherungsmittel angeordnet sein. Dadurch kann erreicht werden, dass die vormontierten Funktionseinheiten und insbesondere der Recoater und der oder die Druckköpfe nicht nur zueinander, sondern auch in Bezug auf die Bauebene eine vorteilhafte Ausrichtung einnehmen und so hohe Qualitätsanforderungen erfüllt werden.
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In einem Aspekt verhindern die Aufnahme- und Sicherungsmittel mit Freiheitsgraden zusammen mit einem Aufnahme- und Sicherungsmittel ohne Freiheitsgrade die statische Überbestimmung der Funktionseinheit in der Maschine und lassen außerdem Wärmedehnungseffekte zu. Somit wird einer Verspannung der Funktionseinheit und einer dadurch hervorgerufenen Lageänderung vorteilhafter Weise vorgebeugt.
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Zudem ermöglicht die symmetrische Anordnung der Aufnahmemittel gleiche Steifigkeiten sowohl in der Maschine als auch in der Funktionseinheit, um die Prozesskräfte möglichst verzugsfrei und damit lageänderungsfrei aufzunehmen.
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Die Freiheitsgrade können untereinander auch vertauscht werden und müssen nicht zwingend in dieser Konfiguration angeordnet/ausgeführt werden.
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In einem Aspekt sind mindestens 3 Aufnahmemittel zweckmäßig, um die positions- und lagerichtige Orientierung der Funktionseinheit in der Maschine zu gewährleisten. Zusätzlich kann mindestens 1 Sicherungsmittel verwendet werden, oder mindestens 1 der 3 Aufnahmemittel kann als kombiniertes Aufnahme- und Sicherungsmittel ausgeführt sein.
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In einem weiteren Aspekt können als Aufnahmemittel alle üblicherweise in der Mechanik verwendeten Zentrier- und Kraftaufnahmemittel dienen. Darunter zählen zum Beispiel, jedoch nicht exklusiv, Zentrierdorne, Lagerflächen, Stifte, Kugelzentrierung, Einführschrägen. Als Sicherungsmittel können alle üblicherweise in der Mechanik verwendeten Fixiermechanismen dienen, sowohl handbetätigt als auch automatisiert. Darunter zählen zum Beispiel, jedoch nicht exklusiv, Kniehebelspanner, Schwenkspanner, Riegel, Kugelsperrbolzen, Spannbuchsen.
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Insbesondere kann nach der vorliegenden Offenbarung erreicht werden, dass Verschleißteile leicht und ohne Standzeiten der 3D- Druckmaschine ausgewechselt werden können.
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In der wechselbaren Funktionseinheit (1) nach der vorliegenden Offenbarung werden die Druckkopf- und die Recoaterachsen aufeinander voreingestellt, ohne dass dies nach dem Platzieren in der 3D-Druckmaschien weitere Einstellungen erfordert. Dabei werden vorteilhafter Weise die X- und Y-Achsen aufeinander außerhalb der 3D-Druckmaschine vorjustiert.
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In einem Aspekt können bestimmte Maße und Verhältnisse der Maschinenbauteile vorteilhaft sein, die weiter unten beschrieben werden.
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Mit der wechselbaren Prozesseinheit nach der vorliegenden Offenbarung können auch vorteilhafte Zentriergenauigkeiten der Aufnahmemittel erreicht werden, die sich positiv auf den 3D-Druckprozess auswirken.
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Eine Mindestanforderung kann wie folgt sein:
- ±halbe Auflösung des Materialauftragsmittels; vorteilhaft kann sein: genauer als ±1/10 der Auflösung des Materialauftragsmittels, jedoch nicht genauer als ±1µm.
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Eine beispielhafte Maschine kann wie folgt arbeiten:
- Druckauflösung = 200 dpi = 127µm -> 1/10 von 127µm = 12,7µm. Damit ist eine bevorzugte Zentriergenauigkeit besser als ±12,7µm. Damit ergibt sich eine Zentriergenauigkeit der verwendeten Komponenten mit ±5µm.
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Beispielhafte Höhentoleranz der nivellierenden Beschichterelemente (Klinge, Walze oder Rakel) in Richtung der Baufeldnormalen an jedem beliebigen Messpunkt entlang der Beschichterbreite:
- Eine beispielhafte Mindestanforderung: <±33% der Schichtstärke. Vorteilhaft kann sein: <±20% der Schichtstärke, oder <±10% der Schichtstärke.
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Ein beispielhafter Abstand der nivellierenden Beschichterelemente mehrerer Beschichter in Richtung der Baufeldnormalen an jedem beliebigen Messpunkt entlang der Beschichterbreite innerhalb einer wechselbaren Funktionseinheit ist wie folgt:
- Eine Beispielhafte Mindestanforderung: <±20% der Schichtstärke Vorteilhaft kann sein: <±10% der Schichtstärke
- Eine beispielhafte Maschine kann wie folgt arbeiten:
- Schichtstärke 280µm -> senkrechte Maßtoleranz der Recoaterklingen zueinander an jedem beliebigen Messpunkt entlang der Klinge: ±20µm (entspricht 7% der Schichtstärke).
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Im Falle der Verwendung eines Druckkopfs als Materialauftragsmittel: Orthogonalität des Druckkopfs zur Bewegungsrichtung der Funktionseinheit (mit der Flächennormale des Baufelds als gedachte Drehachse).
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Eine beispielhafte Mindestanforderung: <±5‰ der Druckbreite. Vorteilhaft kann sein: <±1‰ der Druckbreite, oder <±0,1‰ der Druckbreite.
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Eine beispielhafte Maschine kann wie folgt arbeiten:
- Druckbreite = 1300mm -> erlaubte Verdrehung des Druckkopfes um die Senkrechte ±0,1mm/1300mm (entspricht 0,08‰).
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Beispielhafte Darstellung der Offenbarung
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Verschiedene Aspekte der Offenbarung werden im Folgenden beispielhaft beschrieben, ohne dass diese beschränkend verstanden werden sollen. Auch kann jeder Aspekt aus den unten dargestellten Beispielhaften Figuren in jeder Kombination nutzbar gemacht werden.
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1 stellt eine wechselbare Funktionseinheit (1) in zwei verschiedenen Ausführungsformen dar. In 1a verfügt die wechselbare Funktionseinheit (1) über zwei Recoater (2), die in Beschichtungsrichtung links und rechts eines Druckkopfes (3) montiert sind. Zudem verfügt die wechselbare Funktionseinheit über weitere Schichtbehandlungsmittel wie z.B. IR Strahler (4), die ebenfalls beidseits ausgeführt sind. Wenn der Druckkopf in dieser Anordnung über eine baufeldbreite Düsenverteilung verfügt, kann damit eine Schicht in einer Überfahrt prozessiert werden. Die in 1b gezeigte Ausführungsform verfügt lediglich über einen Recoater (2) und einen Druckkopf (3). Auch in dieser Bauform lassen sich die Vorteile der wechselbaren Funktionseinheit nutzen. Weiterhin weist die wechselbare Funktionseinheit (1) als Schichtbehandlungsmittel (4) eine Strahlungsquelle auf. In beiden Ausführungsformen sind die Baufeldwerkzeuge mittels einer Platte als Verbindungsmittel (5) miteinander verbunden. An der Platte (5) sind Sicherungsmittel (7) angebracht, mit denen die wechselbare Funktionseinheit (1) in der 3D-Druckmaschine an der Zielposition eine definierte Lage und Position einnimmt.
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2 zeigt eine 3D-Druckmaschine (6) schematisch dargestellt. Es sind an der Zielposition Sicherungsmittel (7) für die wechselbare Funktionseinheit (1) gezeigt, an die die wechselbare Funktionseinheit (1) mit ihren Gegenstücken (7') angekoppelt werden kann. Die Verfahrachsen für die wechselbare Funktionseinheit sind bereits in die Entnahmeposition gebracht. Die wechselbare Funktionseinheit wird an (8) zur Energie- und Medienversorgung lösbar gekoppelt.
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In 3 zeigt die wechselbare Funktionseinheit (1) festgestellt über Aufnahme- und Sicherungsmittel (7, 7') in der Zielposition an die Energie- und Medienversorgung (8) gekoppelt.
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In 4 ist schematisch das Einfahren der wechselbaren Funktionseinheit (1) in eine 3D-Druckmaschien (6) dargestellt. Dazu kann die wechselbare Funktionseinheit (1) über die Einfuhröffnung (9) in die 3D-Druckmaschine eingefahren werden. Dazu werden die Verschlussmittel (10) geöffnet und nach dem Einfahren wieder geschlossen. Die wechselbare Funktionseinheit (1) wird nach Erreichen der Zielposition mit Aufnahme- und Sicherungsmittel (7, 7') in der Zielposition festgestellt.
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5 zeigt stellt eine wechselbaren Funktionseinheit (1b) bei einer Überfahrt in eine Richtung während des Druckprozesses dar.
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In 6 ist schematisch eine Drucküberfahrt einer wechselbaren Funktionseinheit (1a) in eine Richtung (6a) und in die entgegengesetzte Richtung (6b) dargestellt. Deutlich ist der Aufbau einer Druckschicht zu sehen.
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7-9 zeigen die bereits oben beschriebenen Ausprägungen der Anordnung der wechselbaren Funktionseinheit auf einer Achsbrücke (gantry) mittels 4 kombinierter Aufnahme- und Sicherungsmitteln.
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Insbesondere zeigt 9 die Freiheitsgrade die dabei in den 4 Aufnahme- und Sicherungsmitteln vorgesehen sind, damit jede beliebige Funktionseinheit immer positions- und lagerichtig aufgenommen werden kann. Dabei definiert das Aufnahme- und Sicherungsmittel ohne Freiheitsgrade (ohne Pfeile) die Position der Funktionseinheit in der Maschine. Das Aufnahme- und Sicherungsmittel mit einem Freiheitsgrad (1 Pfeil) verhindert die Verdrehung der Funktionseinheit um das erste Aufnahme- und Sicherungsmittel als Drehpunkt. Dieses zweite Aufnahme- und Sicherungsmittel definiert somit zum Teil die Lage der Funktionseinheit in der Maschine. Die beiden Aufnahme- und Sicherungsmittel mit 2 Freiheitsgraden (2 gekreuzte Pfeile) verhindern das Kippeln (die Verdrehung) der Funktionseinheit um die gedachte Achse zwischen erstem und zweitem Aufnahme- und Sicherungsmittel. Sie vervollständigen somit die Lagedefinition der Funktionseinheit in der Maschine.
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Die Aufnahme- und Sicherungsmittel mit Freiheitsgraden zusammen mit einem Aufnahme- und Sicherungsmittel ohne Freiheitsgrade verhindern die statische Überbestimmung der Funktionseinheit in der Maschine und lassen außerdem Wärmedehnungseffekte zu. Somit wird einer Verspannung der Funktionseinheit und einer dadurch hervorgerufenen Lageänderung vorgebeugt.
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Zudem ermöglicht die symmetrische Anordnung der Aufnahmemittel gleiche Steifigkeiten sowohl in der Maschine als auch in der Funktionseinheit, um die Prozesskräfte möglichst verzugsfrei und damit lageänderungsfrei aufzunehmen.
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Die Freiheitsgrade können untereinander auch vertauscht werden und müssen nicht zwingend in dieser Konfiguration angeordnet/ausgeführt werden.
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10 bis 12 zeigen eine weitere Ausprägung der Menge und Anordnung der Aufnahme- und Sicherungsmittel. Es müssen nicht zwangsläufig 4 Stück verwendet werden. Mindestens 3 Aufnahmemittel sind zweckmäßig, um die positions- und lagerichtige Orientierung der Funktionseinheit in der Maschine zu gewährleisten. Zusätzlich muss mindestens 1 Sicherungsmittel verwendet werden, oder mindestens 1 der 3 Aufnahmemittel kann als kombiniertes Aufnahme- und Sicherungsmittel ausgeführt sein. In den Abbildungen sind 3 kombinierte Aufnahme- und Sicherungsmittel zu sehen.
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13 und 14 zeigen eine Ausprägung der Erfindung, bei der die Aufnahmemittel und Sicherungsmittel der wechselbaren Funktionseinheit getrennt voneinander ausgeführt sind. Die positions- und lagerichtige Orientierung der Funktionseinheit innerhalb der Maschine wird dabei durch die Aufnahmemittel gewährleistet. Die Sicherungsmittel sorgen anschließend dafür, dass diese positions- und lagerichtige Orientierung beibehalten wird, und nicht zum Beispiel durch die in der Maschine üblicherweise auf die Funktionseinheit während des Betriebs einwirkenden Beschleunigungskräfte und Vibrationen verändert wird. Als Aufnahmemittel können alle üblicherweise in der Mechanik verwendeten Zentrier- und Kraftaufnahmemittel dienen. Darunter zählen zum Beispiel, jedoch nicht exklusiv, Zentrierdorne, Lagerflächen, Stifte, Kugelzentrierung, Einführschrägen. Als Sicherungsmittel können alle üblicherweise in der Mechanik verwendeten Fixiermechanismen dienen, sowohl handbetätigt als auch automatisiert. Darunter zählen zum Beispiel, jedoch nicht exklusiv, Kniehebelspanner, Schwenkspanner, Riegel, Kugelsperrbolzen, Spannbuchsen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wechselbare Funktionseinheit
- 2
- Materialauftrags- und/oder Glättungsmittel
- 3
- Mittel zum selektiven Verfestigen
- 4
- Optionale Schichtbehandlungsmittel
- 5
- Verbindungsmittel
- 6
- Vorrichtung für den 3D-Druck
- 7
- Aufnahmemittel und/oder Sicherungsmittel
- 8
- Energieversorgung der wechselbaren Funktionseinheit
- 9
- Einfuhröffnung
- 10
- Verschlussmittel
- 11
- Translatorische Freiheitsgrade der Aufnahmemittel und/oder Sicherungsmittel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0431924 B1 [0002]
- EP 2214889 A1 [0017]
